代谢组与转录组对肉桂醛抑制瘤胃Methanobrevibacter属甲烷菌机制的研究

Methane emission from ruminants is mainly due to exist of ruminal methanogen, while Methanobrevibacter genus methanogen account for 70%-90% of total ruminal methangen. Therefore, inhibit this genus of methanogen is an important measure to decrease ruminal methanogen emission. Our previous studies have shown that addition of cinnamaldehyde into rumen can decrease methanogen population and decrease methane production, while its function mechanism is unclear, so we cannot apply cinnamaldehyde properly. This study will research the change of metabolome of methanobrevibacter .sp methanogen pure culture, and analyze change of gene transcription after addition of cinnamaldehyde. Then, based on these data, we will analyze relationship between methanogen metabolome and transcriptome varation after addition of cinnamaldehyde, explore the way of how cinnamaldehyde influence gene expression then change metabolism progress of methanogen, finally elucidate inhibition mechanism of cinnamaldehyde on ruminal methanobrevibacter genus methanogen. With the carrying out of this project, we can provide theoretical evidence for applying of cinnamaldehyde to manipulate rumen fermentation, and build multi-Omics researching scheme for exploring functional mechanism of essential oil active component to change ruminal microbial community, promote application of essential oil in ruminants nutrition.

反刍动物甲烷排放是由于瘤胃甲烷菌的存在，而Methanobrevibacter属甲烷菌占总甲烷菌的70%-90%，是甲烷产生的主要菌群。因此，抑制该属的甲烷菌是降低瘤胃甲烷排放的重要手段。我们前期研究表明，肉桂醛添加到瘤胃内有抑制甲烷菌数量，降低甲烷排放的作用，但作用机制尚不明了，无法合理应用。本项目拟在通过代谢组学探明肉桂醛添加对Methanobrevibacter属甲烷菌纯培养菌株代谢产物影响的基础上，对菌株的转录组进行测序分析，研究菌株代谢组变化与基因转录变化之间的关系，阐明肉桂醛如何通过对甲烷菌基因表达进而影响代谢活性的过程，进而阐释肉桂醛对Methanobrevibacter属甲烷菌的作用机制。本项目的实施，可为肉桂醛作为瘤胃发酵调控剂的可行性提供理论依据，同时可建立精油活性成分对瘤胃菌群影响机制的多组学研究方案，促进精油在反刍动物营养上的应用研究。

随着人们对畜产品健康的关注，抗生素的应用将逐渐受到限制，开发新型安全的瘤胃发酵调控剂，抑制瘤胃甲烷菌，降低反刍动物甲烷排放已成为当务之急。肉桂醛作为一种安全高效的抗菌物质，受到了广泛关注，但其对不同微生物菌群具有不同的抑制作用，虽然我们前期表明肉桂醛添加到瘤胃内可降低甲烷菌数量，抑制甲烷产生，但其作用机制特别是对瘤胃主导地位的Methanobrevibacter属甲烷菌作用机制不明。因此，本项目的实施可阐明肉桂醛的作用机制，解决其作为瘤胃发酵调控剂机制不明，无法针对性应用的问题，对开发新型瘤胃发酵调控剂，促进精油作用机制的认识具有重要意义。针对以上研究目标，我们开展了以下三个内容的研究，1）我们采用16sRNA基因测序技术对水牛和娟姗牛瘤胃内的甲烷菌组成进行了详细的分析，结果水牛和娟姗牛之间瘤胃甲烷菌数量无显著差异。Methanobrevibacter （甲烷短杆菌）是最主要的甲烷菌属，M.gottschalkii是优势菌属及娟姗牛中其丰度较 高。2）我们从水牛瘤胃中纯化了一株名为Methanoculleus sp. str ain Wasimlinii的甲烷菌。我们对纯化的菌株进行了底物特异性和最适生长pH及温度等进行了分析，然后提取DNA进行了基因组测序分析，成功对该株菌的基因组分析和注释后发现，此菌株基因组大小为2.6 Mb，表明基因组中包含了2380个基因。 3）我们选用24头出生平均2周龄、体重相接近，健康状况良好的荷斯坦奶牛公犊作为试验动物，分为对照组和试验组，对照组饲喂基础开食料，试验组在开食料中添加0.3%含油率为15%的包埋肉桂醛，结果表明，表明对犊牛添加高量肉桂醛对犊牛生长性能无负作用，但可改变瘤胃微生物区系并调控瘤胃发酵模式。本项目获得的结果深化了对反刍动物瘤胃内甲烷菌组成的了解，建立了甲烷菌的分离培养和基因组学分析方法，并对瘤胃内未知甲烷菌的基因组进行分析，从而为未来抑制水牛瘤胃甲烷产生具有重要意义。此外，通过动物试验研究了肉桂醛早期奶牛公犊瘤胃发酵及微生物区系的影响，为肉桂醛在瘤胃微生态调控的应用提供理论依据，为后期更合理的利用肉桂醛奠定了数据基础。